鉆井泵缸套活塞偏磨的柔性解決方案

周小明，周遠(yuǎn)宏，劉平，曾興昌，廖剛

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司,陜西 寶雞721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721002；3.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司新疆分公司，新疆 庫爾勒841000）

0 引 言

鉆井泵是石油鉆機(jī)的核心設(shè)備，通過高壓輸送鉆井泥漿而起到及時(shí)帶走巖屑清洗井底、防止卡鉆、平衡地層壓力、穩(wěn)定井壁、破碎巖石、冷卻鉆頭鉆具等作用，被稱作鉆機(jī)的“心臟”。事實(shí)表明，鉆井泵的質(zhì)量直接影響著鉆井工作的效率，而缸套和活塞是鉆井泵的關(guān)鍵部件和主要易損件，缸套活塞使用壽命影響鉆井泵連續(xù)作業(yè)的能力。目前，國內(nèi)缸套活塞壽命普遍不高，尤其是活塞的壽命偏低[1]。據(jù)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，80%的活塞失效問題均來自于缸套活塞偏磨的影響，缸套活塞的偏磨問題是活塞壽命偏低的主要原因之一，直接影響著鉆井泵的產(chǎn)品質(zhì)量和鉆井作業(yè)的工作效率。

1 鉆井泵缸套活塞失效形式分析

鉆井泥漿一般是高黏度、高含沙量的液體物質(zhì)。鉆井泵通過曲軸連桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)十字頭在導(dǎo)板上、活塞在缸套內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。缸套活塞在承受鉆井高壓力的同時(shí)，摩擦副還存在多種動(dòng)摩擦惡劣工況的影響。據(jù)歷史資料統(tǒng)計(jì)[2]，活塞的損壞量是缸套損壞量的2～4倍。為此，研究缸套活塞失效的主要形式和機(jī)理[2]對(duì)于提高鉆井泵使用壽命具有重要意義。

一般情況下，活塞的一般失效形式是膠皮磨損。在鉆井過程中，缸套活塞除了直接接觸含砂的泥漿外，還承受泥漿的排出高壓作用[2]。這不僅增加了活塞與缸套間的摩擦力，還增加了摩擦副的磨損。尤其由于安裝不正，缸套與活塞的同軸度超差，活塞唇部將出現(xiàn)嚴(yán)重的偏磨現(xiàn)象。由于缸套活塞的不同心度、泵安裝找正時(shí)的偏差等的影響，導(dǎo)致了缸套活塞間的間隙在沿圓周方向總是不均勻的。而這種不同心度，在工作過程中由于動(dòng)態(tài)應(yīng)力會(huì)變得更加嚴(yán)重，從而由于偏磨產(chǎn)生擠傷失效。

實(shí)踐表明，有大量的鉆井泵在使用中出現(xiàn)缸套活塞偏磨情況，即金屬活塞芯在運(yùn)動(dòng)過程中摩擦缸套內(nèi)孔的現(xiàn)象。在缸套內(nèi)表面拉出多條不規(guī)則的縱向溝槽[4]。在鉆井泵工作過程中，這些偏磨溝槽反過來會(huì)磨損并破壞活塞膠皮，從而導(dǎo)致活塞提前失效。因而，有效解決缸套活塞偏磨問題是提升缸套活塞壽命的根本方法。

2 鉆井泵缸套活塞偏磨的原因分析

目前，油田現(xiàn)場(chǎng)使用的鉆井泵運(yùn)動(dòng)部分主要采用曲柄滑塊結(jié)構(gòu)，它主要包括曲柄、連桿、十字頭、導(dǎo)板、中間拉桿、活塞桿、活塞及缸套。如圖1所示，曲柄連桿機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成十字頭、中間拉桿、活塞桿及活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖1 鉆井泵曲柄滑塊結(jié)構(gòu)

如圖2所示，鉆井泵十字頭與中間拉桿、中間拉桿與活塞桿、活塞桿與活塞3處連接均采用剛性固定連接結(jié)構(gòu)。理論上十字頭、中間拉桿、活塞桿、活塞的剛性連接中心線應(yīng)與缸套的中心線重合，但在實(shí)際中，十字頭與導(dǎo)板間是有間隙的[4]，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間越長(zhǎng)，間隙隨磨損而增大。隨著間隙的加大，十字頭會(huì)逐漸下沉，最大下沉量可達(dá)5～10 mm，由于十字頭與活塞之間的剛性連接，必然將這種下沉偏差通過剛性連接直接傳遞到缸套活塞之間，導(dǎo)致活塞芯與缸套的間隙不均勻或直接接觸上，下部間隙明顯減小，從而可能導(dǎo)致活塞芯在缸套上磨出溝槽，發(fā)生缸套活塞偏磨現(xiàn)象。

圖2 剛性固定連接結(jié)構(gòu)

客觀存在的十字頭導(dǎo)板間隙、制造安裝誤差及零件自重，均是產(chǎn)生缸套活塞偏磨的根本原因，這些原因卻是鉆井泵生產(chǎn)使用中所不可避免的，只能通過提高制造和裝配精度進(jìn)行緩解。而十字頭、中間拉桿、活塞桿、活塞之間的剛性連接將十字頭等的不同心度傳遞到缸套活塞間，是缸套活塞偏磨的直接原因，可以通過改進(jìn)措施進(jìn)行解決。

3 解決方案探討

為了解決或改善缸套活塞偏磨，提高缸套活塞壽命，油田現(xiàn)場(chǎng)和設(shè)備制造商常常會(huì)在活塞結(jié)構(gòu)、膠皮材質(zhì)工藝等方面進(jìn)行攻關(guān)和研究[3]。特制圓球型鋼活塞芯代替圓柱型鋼活塞芯的思路[3]、加大活塞芯與缸套間隙等都在一定程度上緩解了缸套活塞偏磨的現(xiàn)象。

針對(duì)缸套活塞偏磨的直接原因，研究出一種柔性連接結(jié)構(gòu)方案。如圖3所示，將十字頭、中間拉桿、活塞桿、活塞間的3處剛性連接中的任意一處改為僅限制1個(gè)自由度的鉸接方式的柔性連接結(jié)構(gòu)。該柔性連接結(jié)構(gòu)有3種方案。

方案一：活塞和活塞桿間的連接放松2個(gè)自由度?；钊梢韵鄬?duì)于活塞桿做任意方向的旋轉(zhuǎn)和偏轉(zhuǎn)，但軸向固定不能移動(dòng)，當(dāng)活塞裝配到缸套中后，受到缸套內(nèi)孔的約束，活塞將相對(duì)于活塞桿自動(dòng)偏轉(zhuǎn)，其中心線始終保持與缸套中心線同軸，同時(shí)隨著壓力的影響，活塞可能繞著缸套中心線自由旋轉(zhuǎn)，避免活塞與缸套中心線之間的不同軸，從而解決活塞偏磨問題。

方案二：活塞桿與中間拉桿間采用球鉸連接。方案三：中間拉桿與十字頭間采用球鉸連接。此兩種方案具有與方案一同樣的工作原理，均是在連接處釋放自由度，從而解決缸套與活塞之間的偏心問題。

圖3 柔性連接方案示意圖

當(dāng)十字頭由于長(zhǎng)時(shí)間工作或安裝誤差影響，使得十字頭中心線與缸套的中心線不同軸的時(shí)候，釋放自由度的柔性連接結(jié)構(gòu)將原來的十字頭至活塞的剛性連接轉(zhuǎn)化為能自由旋轉(zhuǎn)、偏轉(zhuǎn)自適應(yīng)偏差的柔性連接方式。該結(jié)構(gòu)可以在一定的范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)、傾斜，適應(yīng)偏心，同時(shí)活塞的橡膠唇口允許一定的變形量，使得缸套與活塞盡可能地處于同一軸線上，從根本上解決活塞芯偏磨缸套內(nèi)孔的問題，可大幅提高缸套活塞的使用壽命。

4 柔性改進(jìn)方案在我公司的應(yīng)用

鉆井泵缸套活塞偏磨的柔性改進(jìn)方案有3種結(jié)構(gòu)形式，我公司研發(fā)的某臺(tái)鉆井泵采用了柔性連接的第3種方案結(jié)構(gòu)[5]，即是在十字頭與中間拉桿間采用球鉸結(jié)構(gòu)，其主要的組成結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

由于釋放自由度的球鉸頭可以在凹球面內(nèi)自由偏轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)，補(bǔ)償制造和安裝的誤差，因此不需要在十字頭導(dǎo)板上下塞墊片調(diào)整導(dǎo)板孔與前墻板孔之間的同心度。當(dāng)導(dǎo)板磨損后，這種自動(dòng)補(bǔ)償功能還能夠克服十字頭偏磨的問題。

圖4 十字頭與中間拉桿球鉸式連接結(jié)構(gòu)

1）當(dāng)采用全剛性連接，若十字頭下沉ΔY=1 mm，則活塞芯下部與缸套間的間隙將減少1 mm，變?yōu)檫^盈配合，

中間拉桿、活塞桿中心線與缸套中心線夾角α=arcsin(ΔY/L)=0.0603°。

考慮活塞芯厚度t的影響，活塞芯右側(cè)的上部半徑增加量Δ2=t×sin α=0.0299 mm，則上部間隙變?yōu)?0.270～0.455) mm,間隙減少量很小,基本保持了活塞與缸套的間隙，有效地避免了缸套活塞間的偏磨問題。

由上面的推導(dǎo)公式可以看出，當(dāng)多自由度的柔性連接點(diǎn)距離活塞越遠(yuǎn)，即L值越大時(shí)，該結(jié)構(gòu)對(duì)缸套活塞偏心的適應(yīng)能力越強(qiáng)，越能解決缸套活塞的不同心問題。

該臺(tái)鉆井泵從2012年開始在國內(nèi)某油田進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，通過用戶的反饋可知，常規(guī)結(jié)構(gòu)的鉆井泵缸套活塞使用壽命為300 h左右，而該臺(tái)鉆井泵的活塞使用壽命平均超過了1000 h，活塞使用壽命提高了3倍有余。

目前，我公司正在主流鉆井泵中推廣該結(jié)構(gòu)形式，以期有效解決鉆井泵缸套活塞偏磨的問題，大幅提升公司鉆井泵產(chǎn)品質(zhì)量。

但是該結(jié)構(gòu)也存在生產(chǎn)制造困難的問題。由于采用了精度較高、結(jié)構(gòu)形式為球頭的類關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)，使得中間拉桿的加工難度大幅增加。同時(shí)，在十字頭內(nèi)腔內(nèi)鑲裝的內(nèi)凹球窩結(jié)構(gòu)需要采用特殊的工序進(jìn)行磨削加工，材料需要采用類似軸承用料的軸承鋼，從多方面提高了該結(jié)構(gòu)的制造難度和生產(chǎn)成本。與常規(guī)結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)的制造成本提高了近3倍，這對(duì)于用戶購買中間拉桿等配件時(shí)存在不小的阻力。

對(duì)于全面推廣該結(jié)構(gòu)未來需要解決兩個(gè)問題：1）優(yōu)化工藝、固定工裝，降低制造成本；2）提高中間拉桿與卡箍連接處的可靠性，減少中間拉桿失效的頻率。

5 結(jié) 語

鉆井泵缸套活塞偏磨問題幾乎存在于各種活塞失效形式中，嚴(yán)重影響著缸套活塞的使用壽命。本文提出的多自由度柔性解決方案具有3種結(jié)構(gòu)形式。從分析上看，在遠(yuǎn)離活塞的地方設(shè)置該結(jié)構(gòu)能獲得更好的效果。理論分析和實(shí)際應(yīng)用均證明，這一技術(shù)能有效解決鉆井泵缸套活塞偏磨問題，大幅提升缸套活塞的使用壽命，減少了鉆井泵停泵時(shí)間，提高了鉆井作業(yè)的工作效率。未來在優(yōu)化結(jié)構(gòu)工藝性和降低制造成本后，該結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的推廣潛力。